基金项目：共青团广东石油化工学院委员会+创新训练项目（国家级）+项目编号：201711656016
摘要：设计一种两级跟踪式太阳能追日系统。针对光电跟踪比较式控制方式与天文算法在实际应用中，所存在的问题进行分析，在分析基础上，提出一种综合以上两种方法的太阳能追日系统。对以上三种追日系统进行比较分析，表明设计的两级跟踪式太阳能追日系统的能够较好的提高光伏阵列的发电效率。
关键词：追日系统；太阳能；天文追踪；光电探测；PLC
引言
随着光伏产业的发展，硅晶电池及聚光太阳能电池等技术在世界范围内得到了广泛的应用，成本和转换效率问题一直是研究的重点。随着目前市面上高性能电池种类的不断增加，从以往的多晶、单晶电池，到目前的PERC电池、N型硅电池、双面电池和聚光电池，在这些电池中，双面电池是一种被市场认可的高转换效率的产品[1]，由于两面均可以发电，不同安装位置，其背光面受光不一样，这使得光伏阵列容易发生失配现象，使得发电效率降低，对此问题，解决的方法之一是增加追日系统，追日系统的作用在于使光伏阵列始终朝向太阳的方向，一方面使受光量增加，一方面使背面受光接近一致，降低失配现象。
目前，根据跟踪系统的轴数，追日系统可分为单轴和双轴[2]，但无论是单轴还是双轴的追日系统可分为基于单片机的太阳能电池板自动追日系统[3]、基于DSP的太阳能自动跟踪系统[4]、基于AVR的太阳能自动追日系统[5]等多种类型。这种追日系统依赖于传感器检测光强来调整位置，但是当多云天气或透镜上覆盖物等情况时，此时会影响传感器的探测，易使追日系统失灵。另外一方面，使用天文算法来对太阳轨迹进行跟踪[6]，缺少灵活度，当有阴影遮挡时，光伏阵列主要光强来源于环境散射光，与具体的光伏阵列安装环境有关，此时最佳的朝向，可能不是朝向太阳的位置，追日系统无法实时做出调整。对此，我们设计了基于PLC的光电探测与天文算法的两级跟踪式太阳能追日系统，采用了西门子PLC大大提高了系统的使用寿命以及稳定性，并且采用光电探测与天文算法的两级跟踪，提高了系统的灵敏度。
天文算法跟踪就是通过计算，获得太阳运动轨迹的数据从而使光伏阵列根据这些数据进行转动。我们通过读取实时时钟从而得到当地时间信息，并输入当地的地理位置，就可以通过下面一系列公式获得当地任意时刻太阳的高度角和方位角，使其与光伏阵列水平和垂直上安装的两个增量式编码器所反馈的阵列的方位角和高度角进行比较，从而使阵列能够伴随太阳的运动进行转动。当到了一天的傍晚时，光伏阵列回到基准位置，从而消除计算的累计误差。
太阳的高度角α：指太阳光线与当地水平面的夹角，值是在0°~90°之间变化。计算太阳高度角的公式为[7]：
(1.1)
光电探测跟踪基本原理是基于光敏元件来对光伏阵列的方位角与高度角进行调整。利用光敏元件来检测太阳光照能量，随着时间的变化，太阳的位置也会随之变化，不同位置的光敏元件所接受到的能量就会不同，通过对光敏元件数据的收集，通过放大等处理判断出太阳的偏差度，通过改变太阳的高度角和方位角，使太阳的偏差度回归到阈值以下。光电跟踪传感器由放置在太阳能电池板四个角落的光电探测器构成，可分为隔板式、金字塔式、光筒式[8]。光电二级管、光敏电阻等光电探测器虽然产生的光电流的大小与光照强度成正比，由于不同器件存在误差，各个光电转换效率不同，所以导致检测误差较大，影响准确性。本系统采取的是四象限光电探测器作为光电跟踪传感器，其光敏面面积大，而且光敏面几乎与探测器顶部等高，在入射光与光敏面法线夹角很大时，探测器边缘的阴影才会投射到光敏面上。
1实验方案
控制系统的硬件总体设计
此系统主要由光伏阵列、西门子PLC、光强检测传感器、直流电机、增量式编码器、电源单元组成。根据工程实际情况，其控制流程，如图1所示：
图1 追日系统控制流程
跟踪的顺序是：首先判定跟踪系统所处的环境，当光照强度小于阈值时，系统自动回基准位置。当太阳强度大于阈值时，则进行主动式追日。接下来进行光强大小的判定，当系统判定当前为晴天时，此时进行以主动式追日为主，光强检测为辅的追日模式，主动式追日根据太阳轨迹进行运动，在主动式追日的基础上，每15分钟进行一次光强检测，根据光强检测的结果进行方位调整。当系统判定为多云天气时，光电检测在此种天气，会出现跟踪不稳定或错误等现象[9]，此时只进行主动式追日。当系统判定为阴天时，光伏阵列发电效率较低，追日系统作用并不明显，此时回基准位，可以减少损耗。
2结论
基于PLC的光电探测与天文算法的两级跟踪式太阳能追日系统不仅克服了基于单片机的光电跟踪比较式控制方式追日系统在光强较弱时启动慢，不灵敏等弊端，同时解决了天文算法中过于固定无法根据实际情况进行调整的缺点。这种新型的追日系统能够在光强较弱时也能快速启动，迅速找到太阳辐射较强的位置。另一方面，在光强较强时，能够克服天文算法不够准确的缺陷，能够较好的根据实际光强进行适当调整，能够增强光伏阵列的转换效率。另外一方面，西门子PLC的使用，增强了系统的稳定性与可靠性，给光伏阵列的日常维护提供了保障。
参考文献
[1]2017年我国光伏技术发展报告(2)[J].太阳能,2018(09):30-43.
[2]郑小年,黄巧燕.太阳跟踪方法及应用[J].能源技术,2003(04):149-151.
[3]施秉旭.基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统的设计[J].电子技术与软件工程,2016(03):262.
[4]瞿明.基于DSP的太阳能自动跟踪系统开发[J].自动化应用,2015(06):115-117.
[5]刘瑞歌,宋锋,吴汝坤.基于AVR的太阳能电池板自动追日系统的设计[J].制造业自动化,2013,35(12):121-123.
[6]卞万荣,赵慧,杨运等.主动式太阳能追日系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,13(02):55-58.
[7]何燕阳.太阳能电池板追日自动跟踪系统的研究[D].华侨大学,2013.
[8]韩玥.太阳能追日系统的设计与实现[D].长春工业大学,2013.
[9]徐静.自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究[D].杭州电子科技大学,2009.
作者简介：王建民(1997-)，男，广东陆丰人，本科在读，主要从事与光伏有关的自动化设备研究。
论文作者:王建民1 江舒玲2 吴先霖1 徐祥福（通讯作者）
论文发表刊物:《知识-力量》2019年8月27期
论文发表时间:2019/6/10
标签：系统论文; 太阳能论文; 阵列论文; 太阳论文; 光电论文; 光伏论文; 天文论文; 《知识-力量》2019年8月27期论文;